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相：

具有一定的晶体结构和性质，具有均匀的化学成分。

固溶体：

溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。

金属化合物：

合金组元按一定比例发生相互作用而形成的一种新相。

过冷奥氏体：

共析钢过冷到A1温度以下，奥氏体在热力学上处于不稳定状态，在一定条件下会发生分解转变，这种在A1以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体。

残余奥氏体：

奥氏体向马氏体的转变是不完全的，即使冷却到Mf点以下，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，这部分的奥氏体称为残余奥氏体。

珠光体：

α和Fe3C的机械混合物。

索氏体、托氏体：

过冷奥氏体向珠光体转变时，随转变温度的降低，原子扩散能力下降，当温度高时，原子扩散容易，能作较远距离移动而形成较厚的铁素体和渗碳体片，反之，则片层较薄。

根据珠光体中铁素体和渗碳体的片层间距，把珠光体型分为三种，即珠光体、索氏体和托氏体。

贝氏体：

过冷奥氏体在C曲线“鼻尖”至Ms之间温度范围的等温转变产物。

马氏体：

碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

临界冷却速度：

获得全部马氏体组织的最小冷却速度。

淬透性：

钢在淬火时获得的有效淬硬深度的能力。

淬硬性：

钢在正常淬火条件下其马氏体所能达到的最高硬度。

退火：

将钢加热到临界点以上或以下，保温后缓慢冷却，获得以珠光体为主的组织的热处理工艺。

正火：

将钢加热到Ac3或Accm以上30~50摄氏度，保温后在空气中冷却，得到以索氏体为主的组织的热处理工艺。

淬火：

将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50摄氏度，保温后快速冷却，获得以马氏体或下贝氏体为主的组织的热处理工艺。

回火：

将淬火钢加热到AC1以下的某一温度保温后进行冷却的热处理工艺。

表面淬火：

是在不改变钢件化学成分和心部组织的情况下，采用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以达到强化工件表面的热处理方法。

回火马氏体：

回火温度为150~250℃的回火组织。

回火托氏体：

回火温度为350~500℃的回火组织。

回火索氏体：

回火温度为500~650℃的回火组织。

热硬性：

是指钢在较高温度下，仍能保持较高硬度的性能。

自然时效：

将铸件长时间置于室温环境下使应力缓慢松驰，从而使铸件尺寸稳定的处理。

人工时效：

将钢件加热到120-150摄氏度，或更低的温度（80-120度）长时间保温后（5-20小时）随炉或取出在空气中冷却，消除或减小钢内的微观应力、机械加工残余应力，防止变形及开裂，稳定组织以稳定零件形状及尺寸的处理。

回火稳定性：

淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解，碳化物的析出与铁素体的再结晶）的抵抗能力。

时效强化：

是指在固溶了合金元素以后，在常温或加温的条件下，使在高温固溶的合金元素以某种形式析出（金属间化合物之类），形成弥散分布的硬质质点，对位错切过造成阻力，使强度增加，韧性降低。

二、思考题

1、常见的金属晶体结构有哪几种？

试画出晶胞简图，说明其晶格常数特点。

体心立方、面心立方、密排六方

2、位错的定义是什么？

了解三种基本位错的模型及特点。

位错：

晶体中已滑移与未滑移的边界线。

螺型位错、刃型位错、混合位错

刃型位错的特征：

1、刃型位错有一额外半原子面。

2、位错线的周围存在晶格畸变，刃型位错既有正应变，又有切应变。

对刃型错位滑移面上方晶格受压应力，滑移面下方晶格受拉应力，滑移面上只受切应力。

负刃型位错与此相反。

3、刃型位错线与晶体滑移方向垂直，位错线运动方向垂直于位错线。

螺型位错的特征：

1、螺型位错没有额外的半原子面，但位错面附近原子呈螺旋形排列。

2、螺旋位错线是一个具有一定宽度的膝上的晶格畸变管道，它只有切应变而无正应变，其应力场呈轴对称分布。

3、螺型位错线与晶体滑移方向平行，位错线运动方向垂直于位错线。

3、何为晶体缺陷？

金属中存在哪些晶体缺陷？

晶体缺陷：

在实际晶体中，总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域。

分为点缺陷、线缺陷、面缺陷。

点缺陷：

指在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。

常见的点缺陷有：

空位。

间隙原子、置换原子。

线缺陷：

各种类型的位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，使长达数万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子偏离其平衡位置，产生畸变。

面缺陷：

主要指晶界、晶相和亚晶界。

4、结晶的热力学条件是什么？

结晶的热力学条件是：

具有一定的过冷度。

凡金属晶格缺陷会引起晶格畸变，一般会使金属的强度、硬度上升，韧性下降。

5、在具有一定过冷度的金属液体结晶时，液体和固相晶体的自由能差（△G=G固-G液）<

0；

金属结晶时的冷却速度越快，结晶后的晶粒越小，其强度越高，塑性和韧性高。

金属结晶的基本规律：

金属结晶过程都是形核与长大的过程，而且两者交错重叠进行，这是结晶过程遵循的基本规律。

6、对晶核的形成和长大来说，过冷度是驱动力，过冷是必须条件。

7、变形金属在加热时，会发生回复、再结晶、晶粒长大三个阶段的变化。

8、热加工“纤维组织”使金属力学性能具有明显各向异性，纵向的强度、塑性、韧性优于于横向。

“带状组织”即合金中各相沿着变形方向交替地呈带状分布——材料性能恶化

7、常用力学性能指标包括哪些？

试列举单向静态拉伸试验中的基本力学性能指标

金属的力学性能是指金属在外力作用下或外力与环境因素联合作用下所表现的行为。

常用力学性能指标包括：

强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏感性等。

单向静态拉伸试验中的基本力学性能指标有：

屈服强度Б0.2，抗拉强度Бb，断后伸长率δ和断后收缩率ψ。

10、合金中的基本相结构是什么？

固体合金中的基本相结构分为：

固溶体和金属化合物。

固溶体又分为置换固溶体和间隙固溶体

金属化合物分为，正常价化合物，电子化合物，间隙化合物（又分为间隙相和复杂结构间隙化合物）

9、固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。

工业上所用的材料，绝大部分使用固溶体为基体的，有的甚至全由固溶体组成。

按溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙

固溶体两类。

10、晶粒大小对金属力学性能有何影响？

怎样控制铸件晶粒大小？

实际生产中常

用什么有效方法获得细晶粒？

细晶粒金属具有较高的综合力学性能，即强度、硬度、产塑性及韧性都比较好。

因此，生产上对控制金属材料的晶粒大小相当重视，如采取必要的措施来细化晶粒。

①增加过冷度；

②变质处理③振动

11、简述铸锭的典型组织及缺陷。

铸锭的典型组织：

表层细晶区；

柱状晶区；

中心等轴晶区

缺陷：

缩孔；

气孔；

夹杂物

12、为什么金属晶粒越细，强度越高，塑性与韧性也愈好？

由于晶界上存在晶格畸变，阻碍位错的运动，在室温下对金属材料的塑性变形有阻碍作用，在宏观上表现为使金属材料具有更高的强度和硬度，显然，晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高。

同样，晶粒越细，裂纹传播（扩展）所消耗的能量越多，裂纹在不同位向的晶粒中传播越困难，金属的断裂韧性越好。

13、金属经塑性变形后会造成哪几种残余内应力？

（1）宏观内应力；

（2）微观内应力（3）点阵畸变

14、再结晶后的晶粒大小主要取决于什么因素？

（1）加热温度与时间：

加热温度越高，时间越长，晶粒就越大

（2）变形度：

临界变形度以下，只有部分晶粒破碎，而另一部分则不变形，此时晶粒不均匀长大，大晶粒吞并小晶粒，所以晶粒粗化；

当变形量超过临界变形度后，随着变形量的增加，晶粒破碎的程度越大，再结晶后的晶粒越细。

在临界变形度夏，晶粒粗化倾向最大。

（3）原始晶粒尺寸和均匀度：

当变形度一定时，原始材料的晶粒度越均匀，则再结晶后的晶粒越细。

（4）合金元素及杂质：

一方面增加变形金属的储存能，一方面阻碍晶界的运动，一般起细化晶粒的作用。

15、试分析钢材在热变形加工（如锻造时），为什么不出现硬化现象？

由于热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变形过程，所以因塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶软化两个相反过程几乎同时存在，这时的回复再结晶是边加工便发生的，因此不存在加工硬化现象。

16、Fe-Fe3C相图，标出各点温度及含碳量，各点含碳量的意义。

相组成物和组织组成物，三个基本反应方程式，计算碳钢的相组成物和组织组成物。

。

17、指出铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的符号、定义及特点。

铁素体：

α碳在α-Fe中形成的固溶体，强度和硬度低，而塑性和韧性好。

奥氏体：

γ碳在γ-Fe中形成的固溶体，强度硬度较低，而塑性韧性较高。

渗碳体：

铁与碳的稳定化合物，Fe3C，硬度高，但脆性大，塑性差。

共析转变的产物，片层状的渗碳体与铁素体的机械混合物，用P表示，珠光体有较高的综合机械性能

莱氏体：

Ldγ和Fe3C的混合物。

脆性的,硬度高,耐磨性好

18、二元合金相图中，最多可有3相平衡共存，在相图中表现为水平线。

20、随含碳量的增加，渗碳体的数量、分布、形态如何变化？

随着含碳量的增加，三次渗碳体沿铁素体晶界呈片状析出，降低铁的塑性和韧性；

二次渗碳体呈网状或针状分布，一次渗碳体呈长条状。

21、碳钢中的常存杂质有Si、Mn、S、P，其中S、p是有害元素，因为P会引起冷脆，S会引起热脆。

26、珠光体、贝氏体、马氏体组织各有哪几种基本类型？

它们在形成条件、组织

形态和性能方面有何特点？

转变温度在A1~鼻尖范围内，（珠光体、索氏体、托氏体）是铁素体和渗碳体的片层机械混合物，三者之间并无本质区别，片层越薄，强度和硬度越高，塑性和韧性也略有改善。

上贝氏体550~350℃，呈羽毛状，铁素体片较宽，碳化物较粗且不均匀低分布在铁素体条间，所以它的脆性较大，强度较低、下贝氏体350~Ms黑针状，针状的铁素体有较高的过饱和度，其亚结构是高密度位错，同时细小的碳化物均匀地、高度弥散低分布在铁素体片内，因此它除了具有较高的强度和硬度外，还具有良好的塑性和韧性。

Ms点以下时发生马氏体转变。

板条马氏体，是由含碳量＜0.2%的

母相奥氏体形成，其亚结构是位错；

呈细长的扁棒状，存在高密度位错，碳量低，形成温度高，会产生“自回火”现象，碳化物析出均匀，具有高硬度还具有良好的塑性和韧性；

针状马氏体呈针状，是由含碳量＞1.0%的母相奥氏体形成，其亚结构是孪晶。

存在大量孪晶，硬度高，但脆性大。

27、画出共析钢TTT曲线，指出各线、各区的物理意义

28、何为淬火临界冷却速度Vk？

Vk的大小受什么因素影响？

获得全部马氏体组织的最小冷却速度

影响因素：

化学成分和奥氏体化条件的影响。

化学成分：

奥氏体中碳含量和合金元素（除Co）越多，C曲线越向右，Vk越小。

奥氏体化条件：

奥氏体化温度越高，保温越充分，过冷奥氏体越稳定，Vk越小。

29、淬透性和淬硬性及有效淬硬深度的关系。

末端淬火法测钢淬透性值

的意义，淬透性的应用。

P120~125

淬透性是钢的属性之一，受本身内在因素影响。

有效淬硬层深度处于淬透性有关外，还受工件尺寸、淬火介质等外界条件影响。

淬硬性与淬透性之间没有必然联系，淬硬性取决于钢中的碳含量，淬硬层深的钢，淬硬层的硬度不一定高。

30、试述退火、正火、淬火、回火的目的，熟悉它们在零件加工工艺路线中的位

置。

细化晶粒，提高力学性能；

改善切削加工型；

消除残余内应力；

为最终热处理做准备。

预先热处理，获得合适硬度，改善切削加工型；

消除过共析钢的网状二次渗碳体；

消除魏氏组织，细化晶粒，消除内应力；

为最终热处理作准备。

与回火配合，赋予工件最终使用性能。

降低脆性，减少内应力；

获得最终使用性能；

稳定工件尺寸；

改善切削加工性能。

34、第一类回火脆性，第二类回火脆性，产生第二类回火脆性的原因，如何消除或避免。

淬火钢在250~350℃回火时出现的脆性称为第一类回火脆性。

淬火钢在500~650℃范围内回火时出现的脆性称为第二类回火脆性。

钢中含有Cr、Ni、Si、Mn等合金元素时，这类钢在500~650℃长时间保温或缓慢冷却时会产生明显的脆性。

原因一般认为是由于Sb、Sn、P等杂质在奥氏体晶界偏聚，减弱了奥氏体晶界上原子间结合力，降低晶界断裂强度造成的。

消除办法有：

回火后快速冷却或者在钢中加入W、Mo等合金元素阻碍杂质元素在晶界上偏聚。

35、影响钢感应加热表面淬火淬硬层深度的因素。

感应电流频率f。

f越大，有效淬硬深度就越薄。

36、钢的化学热处理和表面淬火的区别。

钢的化学热处理与表面淬火相比，不仅改变表层的组织，还改变其成分。

37、钢的渗碳、钢的渗氮。

钢的渗碳：

目的是提高工件表层含碳量，使之具有高硬度和高耐磨性，心部保持良好的韧性。

渗碳用钢：

含碳量0.12%~0.25%的低碳钢和低碳合金钢。

渗碳后的热处理：

渗碳后，必须经过淬火和低温回火。

钢渗氮：

目的是提高工件表层的硬度和耐磨性，疲劳强度和耐腐蚀性。

典型渗氮钢：

38CrMoAl。

渗氮前的热处理应为调质，保证心部力学性能和提高渗氮层质量。

渗氮后不需进行淬火即可达到高的表面硬度和耐磨性。

38、写出下列零件的加工工艺路线、各热处理工序的作用及所获组织。

（1）45钢机床主轴，要求整体综合力学性能良好。

工艺路线：

锻→正火→粗机加工→调质→精机加工→轴颈：

高频淬火+低温回火→磨

各热处理工序作用及组织：

a）正火：

S+α（少量）

①消除锻造缺陷（晶粒粗大、应力）；

②调整硬度、利于切削加工。

b）调质：

S回，满足整体机械性能要求：

综合机械性能↑

c）轴颈：

高频淬火+低温回火：

表：

M回+A’（少量）；

心：

S回达到“表硬心韧”，满足使用要求。

（2）20CrMnTi钢制拖拉机变速齿轮。

锻→正火→机加工→渗碳、预冷淬火+低温回火→喷丸（压应力、σ-1↑）→磨

各步热处理组织及作用：

1）正火：

2）渗碳、预冷淬火+低温回火：

M回+K+A’（少量）；

M低碳达到“表硬心韧”，满足使用要求。

39、试比较碳钢及合金钢的性能、用途及优缺点。

碳钢价格低廉，容易加工；

但淬透性低，回火稳定性差，基本相软弱，因而应用受到限制主要用于制造各种结构件和机器零件

合金钢：

高的强度及韧性，较高的屈强比，高的淬透性和回火稳定性，良好的抗氧化能力和低温冲击韧度，高的耐磨性及特殊的电磁性能用于制造桥梁、车辆、锅炉、油罐、建筑结构和化工容器等

40、哪些属于碳化物形成元素？

一般强碳化物形成元素对钢的回火稳定性有何影

响？

MnCrWMoVTiNb等为碳化物形成元素，强碳化物形成元素，由于对碳原

子的扩散产生阻碍作用，是马氏体的分解速度减慢，即增加回火抗力，提高回火稳定性。

41、合金元素在钢中的作用如何？

常用的合金元素有哪些？

一、合金元素对钢中基本相的影响

1形成固溶体2形成碳化物

二、合金元素对相图的影响

1、扩大奥氏体区NiMnCoCNCu

2、缩小奥氏体区CrVMoTiAlSiBNbTa

三、合金元素对热处理过程的影响

1、合金元素对加热转变的影响

除Co外，当Me→γ时，

1）使“C曲线”右移，淬透性↑

2）甚至使“C曲线”分离，或只有P转变，或只有B转变。

除Co、Al外，大部分合金元素使Ms。

凡使Ms降低的合金元素，均使钢淬火后残余奥氏体量A’↑。

42、高锰钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、碳素工具钢、奥氏体型不锈钢的典型钢号、热处理和应用。

43、根据铸铁中碳的存在形式及石墨形态，可将铸铁分成几类？

碳的存在形式：

白口铸铁灰铸铁麻口铸铁

石墨形态：

普通灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁

44、石墨化过程，第一阶段和第二阶段。

影响石墨化的因素。

影响铸铁性能的因素。

石墨化过程：

含碳量较高的熔融铁液以极缓慢的速度冷却时，石墨从液态或固态中析出的过程。

灰铸铁石墨化的影响因素主要是化学成分和冷却条件。

影响铸铁性能的因素：

石墨对铸铁性能的影响，石墨从片状变为团絮状或球状时，尤其是球状的，使铸铁的强度提高，塑性韧性明显改善。

基体组织对铸铁力学性能的影响，基体中铁素体越多，铸铁塑性越好，基体中珠光体越多，铸铁强度和硬度越高。

45、什么样的合金才能时效强化？

合金中存在时效强化相，这个相在脱溶过程中的某些中间状态具有特殊晶体结构，起强化作用。

所谓时效强化是指固溶了合金元素以后，在常温或加温的条件下，使在高温固溶的合金元素以某种形式析出（金属间化合物之类），形成弥散分布的硬质质点，对位错切过造成阻力，使强度增加，韧性降低。

相应的操作就是常温时效和高温时效处理。

固溶强化就是合金元素在基体金属晶格中存在使晶格产生畸变，位错运动阻力加大。

通常也是强度增加，韧性降低。

与时效强化相比，可以是单相的，而时效一定多相。

46、纯铜能否通过热处理方法加以强化，为什么？

要提高其强度应采取什么手

段？

不能，因为纯铜没有同素异构转变，通过合金化手段提高铜的性能。

47、铝合金的分类。

黄铜的主要元素（铜和锌）。

48、机械零件选材应主要考虑哪些基本原则？

1、材料的力学性能2、材料的工艺性能3、材料的经济性

22、碳含量对力学性能的影响。

铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相，合金的基体是铁素体时，渗碳体作为强化相，数量愈多，分布愈均匀材料强度愈高。

含碳量在接近1%时强度达到最大值，若组织中出现以渗碳体为基体的莱氏体，塑性和冲击韧性下降。

23、加热时，共析钢奥氏体的形成经历哪几个基本过程？

1.奥氏体形核，奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的相界处形成；

2.奥氏体长大，晶核形成后，奥氏体一面与渗碳体相接，一面与铁素体相接，存在碳浓度梯度，碳将从浓度高的奥氏体-渗碳体界面向浓度低的奥氏体-铁素体界面进行扩散，碳平衡浓度破坏，为恢复原先碳浓度的平衡铁素体向奥氏体转变，渗碳体进一步溶解，奥氏体便不断长大；

3.残余奥氏体的溶解，铁素体向奥氏体转变速度比渗碳体的溶解速度快，铁素体首先消失转变为奥氏体，还有部分渗碳体没有溶解，随继续加热保温，渗碳体在奥氏体中不断溶解；

4.奥氏体成分的均匀化，渗碳体溶解后，奥氏体的成分仍是不均匀的，随时间延长，碳进一步扩散，是奥氏体的成分趋于均匀。

24、加热时，奥氏体的形成速度主要受到加热条件、原始组织、化学成分。

25、随过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种基本类型转变，珠光体转变、贝氏体

转变和马氏体转变。

根据共析钢相变过程中原子的扩散情况，珠光体转变属扩散

型转变，贝氏体属半扩散型转变，马氏体属于非扩散型转变。

31、工件淬火后变形或开裂的原因及减少变形途径。

工件在淬火过程中发生形状和尺寸的变化，有时甚至产生裂纹。

是由于工件内外温差产生胀缩不一致的热应力以及相变不同产生组织应力造成的。

原因主要有四个方面

（1）淬火工件截面不均匀的影响

当淬火工件的截面不均匀和不对称时，或者粗细不同，以及太小、太长或太薄的工件，都容易在淬火过程中引起变形。

这是因为，截面不均匀的工件，都容易在淬火过程中引起变形。

这是因为，界面不均匀的工件，当它们在相同的冷却条件下进行冷却时，薄的部分先冷，厚的部分后冷，就是说截面小的部分先发生热胀冷缩和组织转变，而截面大的部分则相反。

这样势必引起极大的热应力与组织应力而使工件发生变形。

（2）淬火前机械加工对变形的影响

当退火工件进行机械加工的时候，由于各部分加工的程度不同，势必造成工件某一部分受到拉应力，而另一部分受到压应力。

如果切削愈多，则这些应力也就愈大，淬火前如不加以消除这种由于机械加工带来的应力，势必在淬火时发生变形。

（3）淬火加热时对变形的影响

淬火工件在加热时，外部和截面不均匀的部位，必然会产生温度差，而当温度差愈大时，产生的热应力也愈大，这样在淬火时就势必有变形发生。

一般来说，加热温度过高，时间太长，速度过快，温度不均匀以及工件在热炉中放置的位置不当，都将引起工件的变形。

（4）淬火冷却时对变形的影响

淬火冷却是热应力与组织应发生最集中的工序。

特别是当淬火剂不纯（如油中有水，水中有油，或有其他杂质存在）和冷却能力太强的淬火剂时，引起内应力更大，变形也就更为严重。

此外，钢的化学成分与淬透性也是影响变形的主要因素，一般来说，含碳量愈高，则淬火时引起的变形愈大，淬透的工件也比没有淬透的工件变形更大。

防止淬火工件的变形方法：

（1）设计零件时，应尽量尽量避免截面的不均匀，并使各部分对称，尽量防止有太薄太细、太长的部分；

（2）淬火前施以消除应力的低温退火；

（3）淬火时加热温度不宜过高，时间不宜过长，速度不宜过快，并且保持工件各部分温度均匀一致；

（4）保持淬火剂的纯净和淬火剂各部分温度的均匀一致。

选择淬火剂时，只要能够达到临街冷却速度就行了（不必采用过分强烈的冷却剂），并使工件在淬火剂中按一定方向作轻微的运动；

（5）采用变形不大的淬火法